引水隧洞全斷面光面爆破設計分析

摘 要：以某引水隧洞工程為例，在概述隧洞結構的基礎上提出隧洞爆破開挖方案，并對Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖進行了爆破設計分析。結果表明該引水隧洞所采用的全斷面光面爆破開挖技術通過優化爆破參數和裝藥結構，使現場裝藥的可操作性大大提升，炮孔裝藥量計量更加準確，爆破對隧洞支護襯砌結構的不利擾動得到控制，爆破開挖質量較好。

關鍵詞：引水隧洞；全斷面；光面爆破；設計分析文章編號：2095-4085（2024）02-0147-03

0 引言

在隧洞全斷面光面爆破開挖中，控制超欠挖、光滑輪廓成形是最為理想的施工狀態［1］，為此，本文以某引水隧洞工程為背景，分析隧洞全斷面光面爆破的周邊孔、裝藥量、炮眼數以及裝藥結構等參數，制定科學的爆破設計方案，提高隧洞開挖質量。

1 隧洞概況

該工程隧洞272+593～281+700，長9.107km，其中：Ⅴ類圍巖洞段長1.091km，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸6.9m×6.82m（寬×高），拱墻初期支護采用間排距1.0m，L=3.0m，φ22砂漿錨桿、18cm C30噴混凝土、榀距1.0m，I14型鋼拱架、網格尺寸20cm×20cmφ8鋼筋網片聯合支護；Ⅳ類圍巖洞段長8.016km，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸6.74m×6.69m（寬×高），拱墻初期支護采用間排距1.2m，L=3.0m，φ22砂漿錨桿、15cm C30噴射混凝土、榀距1.2m，I14型鋼拱架、網格尺寸20cm×20cmφ8鋼筋網片聯合支護。Ⅴ類圍巖隧洞斷面設計參數（見圖1）。

2 爆破設計

該引水隧洞圍巖為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，采用全斷面爆破法開挖施工。在進行開挖之前需要通過現場爆破試驗來優化調整爆破參數，完善爆破設計，基于爆破設計對每一循環超挖或者欠挖進行嚴格控制［2］。對于局部欠挖區域通過小型挖掘機或者風鎬進行處理，對于大面積欠挖區域需要再次進行爆破作業。根據該引水隧洞現場圍巖具體情況科學合理確定進尺，對于圍巖較為破碎區域需要進行短進尺強支護，避免危險事故的發生，在必要情況下需要超前支護或免爆開挖，杜絕風險隱患［3］。

2.1 循環進尺確定

根據《水工建筑物地下開挖工程施工規范》（SL378-2007）中第5.3.4條：“Ⅳ類圍巖循環進尺宜1.0～2.0m，Ⅴ類圍循環進尺宜為0.5～1.0m”，Ⅳ類圍巖循環進尺按2m計算，Ⅴ類圍巖循環進尺按1.0m計算，具體循環進尺根據實際地質情況而定，當遇到巖層破碎段再根據具體爆破情況進行調整循環進尺及布孔方式。

2.2 爆破參數選擇

光面爆破設計的主要參數是：孔徑φ，藥徑d，線裝藥密度q1，最小抵抗線V，孔間距E。

2.2.1 孔徑φ及炮眼深度

該引水隧洞施工采用YT28手風鉆作為鉆孔設備，結合施工經驗，初步確定掏槽孔、崩落孔、底孔、周邊孔孔徑均為φ45mm，然后基于不同圍巖類型來確定孔深。對于Ⅳ級圍巖來說，掏槽孔和底板孔深度確定為2.2m，周邊眼和輔助眼炮孔深度確定為2.1m；對于Ⅴ級圍巖來說，掏槽孔和底板孔深度確定為1.3m，周邊眼和輔助眼炮孔深度確定為1.1m。

2.2.2 藥卷直徑d

不偶合系數為炮眼直徑與藥卷直徑的比值，科學合理選擇不偶合系數有助于在爆炸之后，爆炸對炮眼壁的作用力小于圍巖抗壓強度。對于軟巖來說，不偶合系數在2.0～2.5區間范圍內可以得到最好的緩沖作用和最佳的爆破效果。該引水隧洞為軟巖情況，故選擇直徑為φ32mm的2號巖石乳化炸藥，通過計算可知不偶合系數為2.25，符合不偶合系數2.0～2.5的要求，故藥卷直徑合理。

2.2.3 爆破器材及裝藥結構

該引水隧洞選擇多段非電毫秒雷管，其中掏槽、掏槽輔助、輔助孔、底板孔以及周邊孔分別選擇1段非電毫秒雷管、3段非電毫秒雷管、5段非電毫秒雷管、7段非電毫秒雷管和9段非電毫秒雷管。選擇導爆索引爆進行光面爆破。在裝藥結構方面掏槽眼、輔助眼以及底眼均選擇耦合裝藥方式，周邊眼選擇不耦合裝藥方式，均選擇反向起爆。

2.2.4 周邊眼間距（E）、最小抵抗線（V）和相對距系數（K）

如果隧洞斷面跨度較大，在進行起爆時光爆眼所受到的夾制作用較弱，巖石容易崩落，這些可以適當增大抵抗線；如果隧洞斷面跨度較小，在進行起爆時光爆眼所受到的夾制作用較強，巖石不易崩落，這些可以適當減小抵抗線。此外最小抵抗線也會受到巖性以及地質構造的影響，對于硬度較大的巖石可以適當減小最小抵抗線，對于硬度相對較小的巖石可以適當增加最小抵抗線。該引水隧洞巖質以極軟巖為主，基于上述分析應該增加最小抵抗線，最終確定最小抵抗線0.40～0.60m。在爆破時相對距系數也是影響爆破效果的主要因素，其為周邊眼間距與最小抵抗線比值，相對距系數通常為0.5～0.8。對于該引水隧洞來說爆破區巖石節理整體較發育，基于周邊眼間距取值范圍30～50cm，Ⅴ級和Ⅳ級圍巖周邊眼間距分別為40cm和45cm。

2.2.5 隧洞裝藥量計算

通過計算光面爆破裝藥量，可以對周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度進行分析，為光面爆破提供依據。光面爆破裝藥量計算目前較為常用的方法主要為實驗法和類比法。炮眼裝藥集中度與單位體積耗藥量、周邊眼間距以及最小抵抗線均呈正比關系，即單位體積耗藥量、周邊眼間距以及最小抵抗線越大，炮眼裝藥集中度越高。該引水隧洞工程通過施工現場試驗，結合經驗參數，最終確定隧洞Ⅳ類圍巖的裝藥集中度為0.178kg/m；隧洞Ⅴ類圍巖的裝藥集中度為0.158kg/m。

2.2.6 隧洞炮眼數量

隧洞炮眼（裝藥炮眼）數量與單位炸藥消耗量和開挖段面積呈正比關系，與裝藥系數和每米藥卷的炸藥質量呈反比關系，其中單位炸藥消耗量通常為0.66kg/m3，裝藥系數通常為0.3。該引水隧洞開挖段面積為39m2，每米藥卷的炸藥質量為0.75kg/m，通過計算可以得到隧洞炮眼數量為0.66*39/（0.75*0.3）=114個。

2.2.7 隧洞每一循環裝藥量計算及分配

隧洞每一循環裝藥量Q為單位炸藥消耗量q與1個開挖循環進尺爆落巖石總體積V的乘積，其中Ⅳ類和Ⅴ類圍巖循環進尺分別取2m和1m進行計算。該引水隧洞爆破設計炮眼布置（見圖2）。

針對Ⅳ類和Ⅴ類圍巖分別計算各炮眼裝藥量分配系數η。對于Ⅳ類圍巖來說，試選值為0.3，周邊眼裝藥集中度q=0.178kg/m，通過計算可以得到周邊眼裝藥系數為0.36，設置掏槽眼、底眼和輔助眼分別為0.45、 0.45和0.28，計算得到相應的裝藥量分配系數為η=0.3。對于Ⅴ類圍巖來說，試選值為0.3，周邊眼裝藥集中度q=0.158kg/m，通過計算可以得到周邊眼裝藥系數為0.174，設置掏槽眼、底眼和輔助眼分別為0.55、 0.55和0.3，計算得到相應的裝藥量分配系數為η=0.3。如果計算得到的裝藥量分配系數不是0.3，需要掏槽眼、底眼以及輔助眼裝填系數進行適當調整，確保計算得到的η與試選值保持一致。

隧洞全斷面開挖每循環炸藥消耗（見表1、 表2）。

2.2.8 技術要求

（1）測量放線：控制測量采用徠卡TS09全站儀進行，高程采用徠卡350M電子水準儀進行。施工時要確保各項工作嚴格按照規范標準開展，確保隧洞貫通誤差符合施工設計要求。

（2）鉆孔作業：由熟練的鉆車技工嚴格按照設計鉆爆圖進行鉆孔作業。值班工程師檢查時確保每排炮要符合“平、直、齊”的要求，周邊孔應在輪廓線上開孔，孔位偏差需要控制在5cm以內，炮孔外偏斜率不應大于50mm/m，其它炮孔孔位的偏差不得大于10cm。

（3）采用不耦合裝藥方式：每隔150mm將藥卷捆在導爆索上，為了避免藥卷串發生彎曲，可將藥卷串捆扎在20～30mm的竹片上進行固定。

（4）通風散煙以及灑水除塵：通過強力軸流式通風機正壓通風來及時散煙，同時啟動噴水霧裝置進行除塵。

3 結語

綜上所述，在引水隧洞爆破開挖時需要科學編制設計爆破方案，對周邊孔間距、單孔裝藥量等參數進行優化，針對該引水隧洞Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖分別采用科學合理的全斷面光面爆破開挖施工，實踐證明，該引水隧洞周邊成形良好，爆破對隧洞支護襯砌結構的不利擾動得到控制，超欠挖量與噴射混凝土用量顯著減少，保證了該引水隧洞開挖斷面施工質量。

參考文獻：

［1］趙楊.特長引水隧洞全斷面開挖施工技術［J］.河南水利與南水北調，2023，52（4）：50-52.

［2］陳雨灝.供水工程輸水隧洞全斷面光面爆破開挖方案分析［J］.河南水利與南水北調，2023，52（3）：47-48.

［3］石佳楠.全斷面光面爆破在復雜地質隧道施工中的應用［J］.浙江水利水電學院學報，2021，33（4）：45-48.